Te cząstki to neutrina. Najintensywniej powstają tam, gdzie coś się dzieje. W dużych ilościach produkowane są w reakcjach jądrowych, czyli na przykład we wnętrzach gwiazd. Są też świadkami wybuchów gwiazd, zderzeń galaktyk czy bardzo tajemniczych błysków gamma. Mogą pomóc w wyjaśnieniu zjawiska „kosmicznych akceleratorów”, ciemnej materii czy mechanizmu powstawania i funkcjonowania czarnych dziur. Jak żadne inne cząstki potrafią wyślizgnąć się nawet z największej opresji. Fotonowi – czyli cząstce światła widzialnego – wydostanie się z wnętrza naszego Słońca zajmuje kilkaset tysięcy lat.

Neutrino dokonuje tego w czasie krótszym niż mrugnięcie oka. Neutrina mogą bez przeszkód podróżować wzdłuż i wszerz kosmosu. Nic ich nie zatrzyma. Przez olbrzymie gwiazdy, ciężkie planety, a nawet całe galaktyki przechodzą tak, jak światło przechodzi przez szybę. Poza tym są cząstkami prawie bezmasowymi i nie mają ładunku elektrycznego. To wszystko powoduje, że mknące – z prędkościami tylko trochę mniejszymi niż światło – neutrina niosą niezaburzoną informację o procesach, w których powstały. Procesach, których często nie sposób badać inaczej niż właśnie za pomocą neutrin.

Jak złapać ducha?

Ale jak obserwować neutrina, skoro nawet największe gwiazdy i całe galaktyki są dla nich przezroczyste? Im wyższą energię ma neutrino, tym bardziej zależy astrofizykom, by je złapać i – niestety – tym trudniej tego dokonać. Sytuację ratuje fakt, że neutrin wokół nas jest dużo. Przez każdy centymetr kwadratowy naszego ciała w każdej sekundzie przelatuje około 100 mld neutrin. Wystarczy tylko zbudować jak największy wykrywacz neutrin, by jak najwięcej tych cząstek-duchów złapać.

W drugiej połowie lat 60. ubiegłego wieku postanowiono sprawdzić poprawność pewnych teorii, związanych z produkcją energii przez Słońce. Wtedy pomyślano o łapaniu neutrin – świadków procesów zachodzących na Słońcu. W połowie lat 70. XX w. narodziła się koncepcja zbudowania pierwszego detektora zdolnego do wyłapywania wysokoenergetycznych neutrin. DUMAND – bo tak go nazwano – miał zostać umieszczony prawie 5 km pod powierzchnią wody, niedaleko Hawajów. Dlaczego tak głęboko? Naukowcy chcieli mieć pewność, że do sieci polującej na neutrina nie dostanie się przypadkowo jakaś inna cząstka, na przykład wchodząca w skład promieniowania kosmicznego, cały czas spadającego nam na głowy. Od niego można się uchronić, schodząc tylko głęboko pod wodę albo głęboko pod ziemię. DUMAND, jak wszystkie teleskopy neutrinowe, spoglądać miał nie ku niebu, ale w kierunku wnętrza Ziemi. Rejestrowane przez niego cząstki najpierw miały przelecieć przez całą planetę. To potrafią tylko neutrina.

Teleskopy pod wodą

Detektora jednak nie wybudowano, a projekt DUMAND, po wielu testach i próbach, w 1995 r. zamknięto. Starania uczonych nie poszły jednak na marne. Gdy przesądzone były już losy projektu DUMAND, od dwóch lat działał zatopiony prawie 1,5 km pod lustrem jeziora Bajkał detektor BAJKAL. 200 elektronicznych oczu – tzw. fotopowielaczy – obserwowało objętość około miliona metrów sześciennych wody, by zauważyć w nich ślad przelatujących neutrin. Ale BAJKAL okazał się za mały, by złapać wysokoenergetyczne cząstki.
W 1996 r. rozpoczął pracę detektor 20 razy większy.

Dwa kilometry pod powierzchnią lodu na biegunie południowym znajdują się rozpięte na stalowej linie detektory AMANDY. Obserwują objętość około 20 mln metrów sześciennych superczystego na tej głębokości lodu. AMANDA złapała wysokoenergetyczne neutrina m.in. pochodzące z Mgławicy Krab. W 2004 roku zdecydowano, że 700 jej fotopowielaczy stanie się częścią budowanego w sąsiedztwie jeszcze większego teleskopu IceCube. Od 2011 r. 4800 fotopowielaczy będzie „miało oko” na objętość 50 razy większą od tej, którą obserwowała AMANDA. W ciągu najbliższego roku, może dwóch, 2,5 km pod lustrem Morza Śródziemnego rozpocznie pracę teleskop neutrinowy ANTARES. Niecałe 7 mln metrów sześciennych wody będzie monitorowało 900 fotopowielaczy. Najgłębiej położony detektor neutrin na świecie to NESTOR. Jest zatopiony u wybrzeży greckiego Peloponezu na głębokości ponad 4 km.

Nawet największe budowane obecnie teleskopy są za małe do efektywnej obserwacji wysokoenergetycznych neutrin, pochodzących z obrzeży widzialnego wszechświata. Uczeni zaangażowani w projekt NESTOR i ANTARES planują budowę u wybrzeży Sycylii sieci Neutrino Mediterranean Observatory. Ma ona swoim zasięgiem obejmować aż 2 km sześcienne wody. Niedawno NASA przeprowadziła pierwsze próby detektora ANITA. To antena, która umieszczona wysoko nad Antarktydą ma nasłuchiwać sygnałów radiowych, które powstają wraz z rzadką, co prawda, kolizją neutrina z ziemską materią. Podwieszona pod balonem ANITA będzie zbierać sygnały z powierzchni miliona kilometrów kwadratowych lodu. Wydaje się, że to wystarczająco dużo, by złapać neutrina biegnące do nas z sąsiednich galaktyk.

Nowy obraz kosmosu

Po co astronomowie chcą łapać neutrina? Nie wystarczy im obraz wszechświata, jaki mają z tradycyjnych teleskopów? Badacze oglądają kosmos różnymi sposobami. Obserwują go w świetle widzialnym i ultrafioletowym, w promieniowaniu podczerwonym i w promieniach X (Roentgena). Neutrina umożliwiają oglądanie wszechświata w zupełnie inny sposób. Jak gdyby innymi zmysłami. Jakimi? Posłużmy się analogią. Co można powiedzieć o kwitnącej róży, tylko na nią patrząc? Gdy możemy jej dotknąć, jesteśmy bliżej prawdy o niej: wiemy na przykład, że jej kolce są ostre. A gdy możemy ją powąchać... Im więcej zmysłów angażujemy w poznanie otaczającego nas świata, tym bliżej prawdy o nim jesteśmy. Właśnie dlatego astronomowie wymyślają ciągle nowe sposoby badania wszechświata promieniami innymi niż tylko te widzialne zmysłami.



Gość Niedzielny 09/2007